Nghiên cứu tính toán thiết kế tối ưu bộ xúc tác trung hòa khí thải 3 chức năng cho xe du lịch

Để giảm lượng độc hại phát ra từ sản phẩm khí thải của động cơ đốt trong mà vẫn có thể duy trì được tốc độ phát triển của nền công nghiệp trên thế giới, một số nước có nền công nghiệp ph

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS HOÀNG ĐÌNH LONG

Hà Nội - Năm 2014

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ

XĂNG VÀ PHƯƠNG PHÁP KIỂM SOÁT

9

1.1 Đặc điểm phát thải độc hại của động cơ xăng 9

1.1.1 Ô xit cacbon (CO)

1.1.2 Hydro cacbon chưa cháy (HC)

1.1.3 Các loại ô xit nitơ (NOx)

1.2 Các biện pháp giảm phát thải

1.2.1 Tối ưu hóa kết cấu động cơ

1.2.2 Dùng nhiên liệu thay thế

2.2 Các phương pháp tăng hiệu quả bộ xúc tác trong giai đoạn

khởi động lạnh và chạy ấm máy

2.2.1 Tối ưu hóa kết cấu bộ xúc tác

2.2.2 Sấy nóng nhanh bộ xúc tác bằng nguồn năng lượng bên

2.3.1 Phương án thiết kế cải tiến

2.3.2 Phương pháp và quy trình tính toán

29

29

30

Chương 3 – XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN MÔ TẢ QUÁ

TRÌNH XÚC TÁC TRUNG HÒA KHÍ THẢI

31

3.2 Quá trình truyền nhiệt trong hệ thống thải

3.2.1 Giới thiệu chung

33

33

3.2.2 Mô hình hóa quá trình truyền nhiệt trong ống thải

3.3 Các phản ứng xúc tác trung hòa các thành phần độc hại trong

4.1 Kết quả tính toán mô phỏng

4.1.1 Sự thay đổi nhiệt độ khí thải dọc đường ống thải

4.1.2 Hiệu quả BXT 1 lõi

4.1.3 Hiệu quả BXT 2 lõi

TÁC GIẢ

Trịnh Văn Chương

Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Hoàng Đình Long, người đã

hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi hoàn thành bản luận văn này

Đồng thời tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô và các bạn đồng nghiệp trong Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí Động lực, Viện Đào tạo Sau đại học đã giúp đỡ tạo điều kiện về cơ sở vật chất trong suốt thời gian tôi học tập và làm luận văn

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy và các bạn đồng nghiệp trong Bộ môn Động cơ đốt trong và Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong đã tạo điều kiện cả

về thời gian, vật chất lẫn tinh thần để tôi có thể hoàn thành bản luận văn này

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã động viên và chia sẻ với tôi rất nhiều trong suốt thời gian tôi tham gia học tập và làm luận văn

Tác giả

Trịnh Văn CHương

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1-2 So sánh động cơ dùng hỗn hợp thường và hỗn hợp nghèo 13

Hình 2-3 Sơ đồ BXT xử lý khí thải 3 chức năng truyền thống 26

Hình 2-4 Sơ đồ BXT xử lý khí thải 3 chức năng cải tiến 2 lõi, đường

kính 120mm, tổng chiều dài 2 lõi L 130mm

26

Hình 3-1 Sơ đồ hệ thống thải và xử lý khí thải của động cơ xe

FORD LASER

30

Hình 4-1 Sự phân bố nhiệt độ khí thải ở chế độ không tải và toàn tải 53

Hình 4-2 Hiệu quả của BXT 1 lõi dài 185mm ở chế độ toàn tải theo

thời gian từ lúc khởi động

54

Hình 4-3 Hiệu quả của BXT 1 lõi dài 185mm ở chế độ khởi động

lạnh và chạy ấm máy theo thời gian từ lúc khởi động

54

Hình 4-4 Hiệu quả các BXT 1 lõi với chiều dài khác nhau ở chế độ

khởi động lạnh và chạy ấm máy theo thời gian từ lúc khởi động

( L 185mm)

55

Hình 4-5 Hiệu quả của BXT cải tiến 2 lõi ở chế độ toàn tải theo thời

gian từ lúc khởi động, lõi 1 dài 0,35L; lõi 2 dài 0,65L(L 65mm)

56

Hình 4-4 Hiệu quả của BXT cải tiến 2 lõi ở chế độ khởi động lạnh

và chạy ấm máy theo thời gian từ lúc khởi động, lõi 1 dài 0,35L; lõi

2 dài 0,65L(L 65mm)

57

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Động cơ đốt trong đóng một vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân và

là nguồn động lực chính của các phương tiện vận tải như: Ôtô, tàu thuỷ, tàu hoả, máy bay…hay các máy công tác như: máy phát điện, máy xây dựng, các máy công

cụ trong công nghiệp, nông nghiệp…năng lượng mà do động cơ đốt trong cung cấp chiếm khoảng 80% tổng năng lượng toàn trái đất Tuy nhiên động cơ đốt trong cũng

là nguồn gốc gây ra ô nhiễm môi trường

Trong tình hình thế giới đang ngày càng phát triển với tốc độ chóng mặt, sản lượng công nghiệp hằng năm ngày càng tăng nhanh thì nguồn năng lượng tiệu thụ trên thế giới ngày càng lớn Động cơ đốt trong là nguồn cung cấp năng lượng chủ yếu trên trái đât Chính vì vậy mà lượng sản phẩm khí thải từ động cơ đốt trong hằng năm trên thế giới ngày càng tăng, gây ô nhiễm môi trường nặng nề ảnh hưởng trực tiếp biến đổi khí hậu ngày càng phức tạp, trái đất ngày càng nóng lên, ảnh hưởng rất xấu tới sức khoẻ con người, gây nạn tuyệt chủng động thực vật trên toàn thế giới

Để giảm lượng độc hại phát ra từ sản phẩm khí thải của động cơ đốt trong

mà vẫn có thể duy trì được tốc độ phát triển của nền công nghiệp trên thế giới, một

số nước có nền công nghiệp phát triển hàng đầu trên thế giới, cũng là các nước có lượng khí thải phát sinh độc hại gây ô nhiễm nhiều nhất trên thế giới như: Mỹ, Nhật Bản và một số nước Châu Âu đã đi đầu trong việc nghiên cứu và đưa ra các biện pháp giảm thiểu lượng khí thải độc hại ra môi trường Bên cạnh đó các nước này cũng đưa ra các tiêu chuẩn về nồng độ các chất độc hại trong khí thải động cơ và bắt buộc các xe được sản xuất trong nước cũng như các xe nhập khẩu đều phải tuẩn thủ các tiêu chuẩn khí thải

Để đánh giá chất lượng động cơ về phương diện khí thải, động cơ phải được thử nghiệm trong những điều kiện cụ thể và theo một chu trình thử nghiệm quy

định Hiện nay trên thế giới có nhiều chu trình thử như: Chu trình của Mỹ, Nhật

Bản, Châu Âu… ứng với mỗi chu trình thử là một tiêu chuẩn khí thải Các hệ thống

tiêu chuẩn được xây dựng cho các loại động cơ khác nhau như: Động cơ xe máy,

động cơ tĩnh tải, động cơ xe con và xe tải nhẹ, động cơ xe tải nặng… Ở Châu Âu áp

dụng một số chu trình thử như: ECE15, EUDC, NEDC… để thử nghiệm công nhận

kiểu cho các dòng xe mới Bắt đầu áp dụng tiêu chuẩn khí thải EURO 1 vào năm

1992, EURO 2 vào năm 1996, EURO 3 vào năm 2000, EURO 4 vào năm 2005 Các

tiêu chuẩn ngày càng khắt khe hơn về nồng độ các chất trong khí thải động cơ

Ở Việt Nam trước tình hình nền kinh tế đất nước đang bước vào giai đoạn

đầu của những nước có nền kinh tế phát triển chúng ta cũng phải tuân theo xu

hướng chung của thế giới đó là: Phát triển bền vững, tức là phát triển nhưng bảo vệ

môi trường Chính vì vậy mà nhà nước ta đã áp dụng chu trình thử và tiêu chuẩn

Châu Âu để thử nghiệm và công nhận kiểu cho các dòng xe Đặc biệt nhà nước ta

đã bắt đầu áp dụng tiêu chuẩn EURO 2 từ ngày 01/07/2007 cho tất cả phương tiện

vận tải trên đất nước ta

Trên xe ôtô du lịch loại Ford Laser 1.8, hệ thống thải được trang bị bộ xúc

tác (BXT) 3 thành phần đạt được các tiêu chí về khí thải theo tiêu chuẩn EURO II Tuy nhiên trong điều kiện vận hành thực tế ở Việt Nam do cơ sở hạ tầng đường sá

chật hẹp và điều kiện vận hành xe đông đúc, hành trình vận hành trung bình ngắn

phải khởi động lạnh và chạy không tải nhiều nên BXT lâu đạt đến nhiệt độ làm việc

hiệu quả (trên 350oC) Điều này làm tăng phát thải độc hại của xe Chính vì vậy,

việc nghiên cứu cải tiến BXT để cắt giảm lượng phát thải trong giai đoạn khởi động

lạnh và chạy ấm máy là rất cần thiết và có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao Đề tài

“Nghiên cứu tính toán thiết kế tối ưu BXT 3 chức năng cho xe du dịch” cũng chính

là để hướng tới mục tiêu này

2 MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

2.1 MỤC ĐÍCH

Đưa ra được giải pháp thiết kế và phương pháp tính toán thiết kế tối ưu bộ xúc

tác 3 chức năng cho xe du lịch để tăng hiệu quả xử lý khí thải trong giai đoạn khởi động

lạnh và chạy ấm máy để cắt giảm phát thải độc hại của xe trong giai đoạn này, góp phần cắt giảm tổng lượng phát thải độc hại của các phương tiện

2.2 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Động cơ xe du lịch nói chung và áp dụng tính toán cụ thể cho động cơ xe Ford Laser 1.8

2.3 PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu tăng hiệu quả của BXT trong giai đoạn khởi động lạnh và chạy ấm máy của xe ôtô Ford Laser 1.8

3 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nội dung nghiên cứu gồm

- Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt của đường ống thải để xác định sự phân bố nhiệt độ khí thải dọc theo đường ống, qua đó sẽ xác định vị trí hợp lý lắp đặt bộ xúc tácvà làm cơ sở cho việc tính toán bộ xúc tác

- Nghiên cứu chọn phương án thiết kế bộ xúc tác (BXT) và thực hiện mô hình hóa tính toán quá trình phản ứng xúc tác, trung hòa khí thải trong BXT, từ đó đưa ra thiết kế tối ưu của BXT

Phương pháp nghiên cứu là mô hình hóa

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ XĂNG VÀ

PHƯƠNG PHÁP KIỂM SOÁT

1.1 Đặc điểm phát thải độc hại của động cơ xăng

Quá trình cháy trong động cơ đốt trong là quá trình ôxy hoá nhiên liệu, giải phóng nhiệt năng diễn ra trong buồng cháy động cơ theo những cơ chế hết sức phức tạp và chịu ảnh hưởng của nhiều thông số Trong quá trình cháy đã sinh ra các hợp chất trung gian rất phức tạp

Ở điều kiện lý tưởng sự đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu Hydrocacbon với ôxy trong không khí sẽ sinh ra các sản phẩm cháy không độc hại như CO2, H2O được chỉ ra ở phương trình phản ứng cháy sau đây:

Tuy nhiên, trong động cơ trạng thái cân bằng hoá học lý tưởng đối với sự cháy

là khó có thể thảiy ra bởi vì thời gian cho quá trình oxi hoá rất ngắn Hơn nữa, sự thiếu đồng nhất của hỗn hợp nhiên liệu, sự thay đổi rất nhanh của nhiệt độ và ảnh hưởng của các yếu tố khác cũng dẫn đến sinh ra quá trình ôxy hoá không hoàn toàn

Do đó, trong sản phẩm cuối cùng của khí thải sẽ chứa các chất sau: CO2, H2O, H2,

CO, O2 (dư), C-H-O (an-đê -hít), CmHn (nhiên liệu không cháy hết), NOx, các chất thải dạng hạt (Particulale Matter viết tắt là P-M), và các hợp chất chứa chì Pb (đối với động cơ dùng xăng pha chì), các hợp chất chứa lưu huỳnh (đối với động cơ diesel) Trong số các chất này, có một số chất có tính độc hại đối với môi trường và ảnh hưởng đến sức khỏe của con người nên được gọi là thành phần độc hại Tìm hiểu cách hình thành, các biện pháp hạn chế các thành phần độc hại là nhiệm vụ cần thiết và cấp bách trong giai đoạn hiện nay

Thành phần khí thải trong động cơ xăng được thể hiện ở hình 1.1 dưới đây [1] Trong số các thành phần khí thải được giới thiệu, có một số các thành phần có tính độc hại đối với môi trường và sức khoẻ của con người Cụ thể như sau:

1.1.1 Ô xít các bon (CO)

Ô-xýt-các-bon hay còn gọi là mô-nô-xít-các-bon là sản phẩm cháy của C trong nhiên liệu trong điều kiện thiếu ôxy Mô-nô-xít-các-bon ở dạng khí không màu, không mùi Khi kết hợp với sắt có trong sắc tố của máu sẽ tạo thành một hợp chất ngăn cản quá trình hấp thụ ôxy của hê-mô-glô-bin trong máu, làm giảm khả năng cung cấp ôxy cho các tế bào trong cơ thể Mô-nô-xít-các-bon rất độc, chỉ với một hàm lượng nhỏ trong không khí có thể gây cho con người tử vong Hàm lượng cực đại cho phép [CO] = 33 mg/m3

Hình 1.1.Thành phần của sản vật cháy trong động cơ xăng

1.1.2 Hydro các bon chưa cháy (HC)

HC là ký hiệu nói về Hydrocarbon CmHn là các loại các-bua-hy-đrô có trong nhiên liệu hoặc dầu bôi trơn không cháy hết chứa trong khí thải Các-bua-hy-đrô có rất nhiều loại Mỗi loại có mức độ độc hại khác nhau nên không thể đánh giá chung một cách trực tiếp Ví dụ, pa-ra-phin và naph-ta-nin(C10H8) có thể coi là vô hại Trái lại, các loại các-bua-hy-đrô thơm thường rất độc, ví dụ như các-bua-hy-đrô có nhân ben-zen (3 hoặc 4 nhân) có thể gây ung thư Để đơn giản khi đưa ra các tiêu chuẩn

về môi trường, người ta chỉ đưa ra thành phần các-bua-hy-đrô tổng cộng trong khí

thải (Total Hydrocarbon viết tắt là TH) Các-bua-hy-đrô tồn tại trong khí quyển còn gây ra sương mù, gây tác hại cho mắt và niêm mặc đường hô hấp

1.1.3 Các loại ô xít nitơ (NO X )

NOx: ô-xýt-ni-tơ là sản phẩm ô xy hoá ni-tơ có trong không khí được đưa vào buồng cháy động cơ trong điều kiện nhiệt độ cao Do ni-tơ có nhiều hoá trị nên ô-xýt-ni-tơ tồn tại ở nhiều dạng khác nhau, được gọi chung là NOx Trong khí thải của động cơ đốt trong NOx tồn tại ở hai dạng chủ yếu là NO2 và NO

- NO2: Nitơ điôxýt là một khí có mùi gắt và mầu nâu đỏ Với một hàm lượng nhỏ cũng có thể gây tác hại cho phổi, niêm mạc Khi tác dụng với hơi nước sẽ tạo thành a-xit gây ăn mòn các chi tiết máy và đồ vật [NO2] = 9mg/m3

- NO: NO là thành phần chủ yếu của NOx trong khí thải NO là một khí không mùi, gây tác hại cho hoạt động của phổi, gây tổn thương niêm mạc Trong khí quyển, NO không ổn định nên bị ô-xy hoá tiếp thành NO2 và kết hợp với hơi nước tạo thành a-xit ni-tơ-ríc [NO] = 9 mg/m3

1.1.4 Các thành phần độc hại khác

+ An-đê-hýt: có nhiều dạng khác nhau nhưng có chung một công thức tổng quát là C-H-O Khi ở dạng khí an-đê-hýt có mùi gắt và có tác dụng gây tê Một số loại có thể gây ung thư Đối với fooc-môl-đê-hýt hàm lượng cực đại cho phép là 0,6mg/m3

+Chì: Đối với tế bào sống, chì rất độc, làm giảm khả năng hấp thụ ô-xy trong máu [Pb] = 0,1 mg/m3

+ SO2: là một khí không màu, có mùi gắt và gây tác hại đối với niêm mạc Khi kết hợp với nước tạo thành a-xít yếu H2SO3 [SO2] = 2ml/m3

+ CO2: là sản phẩm cháy hoàn toàn của các-bon với ô-xy Tuy CO2 không độc đối với sức khoẻ con ngưòi nhưng với nồng độ quá lớn sẽ gây ngạt, [CO2] =

9000 mg/m3 Ngoài ra, CO2 chính là khí gây ra hiệu ứng nhà kính

Tóm lại, khi tìm hiểu cách hình thành cũng như thành phần hóa lý, tính chất hóa học của khí thải giúp ta lựa chọn, tìm được các phương pháp xử lý để hạn chế phát thải độc hại, giúp đảm bảo sức khỏe cho con người và giảm thiểu ô nhiễm môi trường

1.2 Các biện pháp giảm phát thải

1.2.1 Tối ưu hóa kết cấu động cơ

- Điều chỉnh chính xác :

Việc điều chỉnh chính xác  được thực hiện bằng cách sử dụng bộ chế hoà khí điện tử, hoặc phun xăng điện tử Khi  được điều chỉnh chính xác theo theo ý muốn

sẽ đảm bảo động cơ làm việc ở chế độ tối ưu với múc phát thải thấp [1]

Bằng cách dùng hệ thống phun xăng đa điểm trong động cơ nhiều xy lanh thay cho phun đơn điểm để cho lượng xăng vào đồng đều giữa các xi lanh bảo đảm cho

sự phát thải ô nhiễm và công suất của các xy lanh là như nhau

Tránh sự hình thành màng xăng trong đường ống nạp bằng cách sấy nóng đường nạp và tạo xoáy không khí quanh vòi phun sẽ làm cho qúa trình hoà trộn và tạo hỗn hợp tốt hơn

- Tạo xoáy lốc và rối trong buồng cháy:

Xoáy lốc và rối trong buồng cháy tạo thuận lợi cho quá trình hoà trộn và cháy của hỗn hợp, tạo điều kiện cho nhiên liệu cháy kiệt và mở rộng giới hạn cháy Xoáy lốc có thể tạo từ quá trình nạp do đường ống nạp có dạng khí động học như hình xoắn ốc hoặc có hướng tiếp tuyến với xylanh Ngoài ra, đối với động cơ có số xupáp lớn hơn 2 có thể dùng hai đường nạp Để tạo xoáy và rối trong buồng cháy có thể dùng kết cấu chèn trên đỉnh piston

-Thiết kế buồng cháy thích hợp:

Buồng cháy gọn và có tỷ số nén  lớn, vị trí đặt bugi tối ưu cũng góp phần mở rộng giới hạn  về phía hỗn hợp nghèo, buồng cháy nhỏ gọn và ít khe kẽ sẽ làm

giảm hiệu ứng sát vách nên CmHm giảm

Diện tích chèn trên đỉnh piston có ý nghĩa quan trọng trong việc tạo xoáy lốc trong quá trình nén, chiều dầy lớp biên lạnh giảm nên giảm đựoc hiệu ứng dập tắt màng lửa sát vách và giảm được CmHn

Hình: 1.2 So sánh động cơ dùng hỗn hợp thường và hỗn hợp nghèo

- Thiết kế cơ cấu phối khí thích hợp:

Thiết kế hệ thống đường nạp thải tối ưu về khí động, lựa chọn được góc phối khí tối ưu khi thiết kế nhằm đạt được chất lượng của quá trình trao đổi khí cao nhất, cụ thể là thải sạch và nạp đầy, tạo điều kiện tạo thành hỗn hợp sạch nên tăng được giới hạn của 

Để tăng hệ số nạp, các nhà thiết kế đã đưa ra phương án thay cơ cấu điều khiển đóng mở xu-páp kiểu cơ khí cam-lò xo bằng van điện từ Hệ số nạp tăng là do xu-páp hầu như chỉ có hai trạng thái đóng và mở nên tiết diện thời gian của xu-páp tăng lên đáng kể

- Tăng năng lượng đánh lửa:

Với những biện pháp nêu trên có thể mở rộng  > 1,2 Trên đồ thị hình 1.2 thể hiện rõ, với hỗn hợp nghèo,  có thể đạt tới 1,7 Ngoài ra, do nhiên liệu cháy kiệt nên tính kinh tế của động cơ được cải thiện rõ rệt, ge giảm đáng kể

- Bố trí bu-gi và số xu páp hợp lý

Nếu buồng cháy gọn và bu-gi đặt ở tâm so với các xu páp trong trường hợp một xy lanh có 3, 4 hoặc 5 xu-páp, kết hợp với xoáy lốc do chọn diện tích chèn thích hợp nên nhiên liệu cháy kiệt hơn nên CmHn nhỏ Một biện pháp khác để cho quãng đường lan truyền màng lửa ngắn là dùng nhiều bu-gi cho mỗi xy lanh

Đối với trường hợp xy lanh có 4 hoặc 5 xu-páp, đường nạp có dạng cong để tạo xoáy lốc và chia làm hai nhánh Ở chế độ tải nhỏ, lưu lượng ít, nhưng do chỉ có một nhánh làm việc nên cường độ xoáy lốc vẫn đủ lớn, do đó cải thiện quá trình hoà trộn và tạo thành hỗn hợp Khi tải lớn, nhánh thứ hai được đưa vào làm việc để bảo đảm nạp đầy hỗn hợp

- Chọn tỷ số nén  thích hợp

Tỷ số nén  là một thông số rất quan trọng của động cơ Nói chung, khi tăng 

thì hiệu suất của động cơ tăng, ge giảm có nghĩa là giảm phát thải CO2 Tuy nhiên,

do nhiệt độ cực đại trong quá trình cháy tăng dẫn tới tăng NOx (hình 1.3)

Hình 1.3 Ảnh hưởng của tỷ số nén  đến NO x

Đồng thời, CmHn tăng do tỷ lệ tương đối của thể tích khe kẽ đối với toàn bộ thể tích buồng cháy tăng nên lượng môi chất sát vách tăng Mặt khác, cùng với tăng

, nhiệt độ môi chất trong quá trình thải giảm (do hiệu suất của động cơ tăng) nên

CmHn và CO bị ô-xy hoá ít hơn, tức là CmHn và CO còn lại trong khí thải tăng lên

- Áp dụng luân hồi khí thải:

Để giảm NOx, một số động cơ dùng phương pháp luân hồi khí thải, thực chất

là đưa một phần sản vật cháy trở lại để đốt Do hoà trộn với một lượng khí thải có nhiệt độ cao nên nhiệt độ của môi chất trong quá trình nén tăng, đảm bảo cho hỗn hợp được đốt cháy dễ dàng Mặt khác nồng độ ôxy khi đó giảm và nhiệt độ trong quá trình cháy nhỏ nên nồng độ NOx tạo thành trong khí thải sẽ giảm rõ rệt Đó là mục đích chính của biện pháp này Người ta chia phương pháp luân hồi khí thải thành hai loại là luân hồi nội tại và luân hồi bên ngoài

Luân hồi nội tại dựa trên cơ sở góc trùng điệp của xu-páp 1 + 4 lớn Trong giai đoạn trùng điệp, do chênh lệch áp suất, một lượng sản vật cháy trong xy lanh sẽ

đi vào đường nạp sau đó trong quá trình nạp quay trở lại xylanh Biện pháp này không những làm giảm NOx mà còn giảm được CmHn vì sản vật cháy luân hồi sẽ chiếm các vị trí sát vách trước tiên, do đó giảm lượng khí nạp mới sát vách

khiển, 6: bướm tiết lưu khí thải

Luân hồi bên ngoài, hình 1.4, là phương pháp trích một phần khí thải từ đường thải quay trở lại đường nạp để hoà trộn với khí nạp mới trên đường nạp vào động

cơ Để điều chỉnh lượng khí thải luân hồi sao cho phù hợp, trên đường luân hồi có

bố trí van tiết lưu 6 được điều khiển bởi bộ điều chỉnh 5 Tỷ lệ khí luân hồi càng lớn thì NOx càng giảm

Tuy nhiên, khí thải luân hồi sẽ làm cho hỗn hợp bẩn hơn cũng tương tự như trường hợp hệ số khí sót r lớn dẫn tới làm giảm tính kinh tế của động cơ nói chung

và động cơ không thể phát ra công suất cực đại ở chế độ toàn tải Do đó, phương pháp luân hồi khí thải chỉ dùng ở chế độ tải nhỏ Mặt khác, ở chế độ không tải, khí thải cũng không được đưa trở lại để đốt, vì khi đó hỗn hợp có thể quá nghèo không cháy được, động cơ sẽ bị chết máy

- Thiết kế động cơ dùng hỗn hợp nghèo:

Từ đồ thị hình 1.2 thể hiện rõ, khi dùng hỗn hợp với  > 1, tức là hỗn hợp

nghèo thì các thành phần độc hại như CO và NOx giảm đi Tuy nhiên, do giới hạn cháy của hỗn hợp xăng với không khí rất hẹp nên để mở rộng giới hạn này phải sử

dụng những biện pháp đặc biệt

- Hình thành khí hỗn hợp phân lớp:

Bản chất của phương pháp này là bố trí bu gi đánh lửa trong buồng cháy của động cơ tại vị trí hỗn hợp có thành phần  nhỏ (hỗn hợp đậm) để đốt hỗn hợp bằng tia lửa điện Phần hỗn hợp này sau khi bốc cháy sẽ làm mồi để đốt phần hỗn hợp còn lại có thành phần  lớn hỗn hợp nhạt Như vậy, hỗn hợp toàn bộ của động cơ là hỗn hợp nhạt sẽ được đốt cháy kiệt (hỗn hợp này ở động cơ thông thường là quá nhạt không thể cháy được), do đó giảm được các thành phần độc hại trong khí thải

1

2 3

4

5

6 7

Hình 1.5 Phương pháp hình thành khí hỗn hợp phân lớp

1: xy lanh, 2: vòi phun, 3: bu gi, 4: nắp xy lanh, 5: đường nạp,

6: đường thải, 7: piston

Hiện nay, tất cả các nhà sản xuất ô tô hàng đầu thế giới đều nghiên cứu chế tạo động cơ hình thành khí hỗn hợp phân lớp và đã đưa ra rất nhiều loại kết cấu với buồng cháy thống nhất và buồng cháy ngăn cách Hình 1.5 nêu một loại về một động cơ phân lớp với buồng cháy thống nhất Nhiên liệu được vòi phun 2 phun vào gần tâm xy lanh tạo thành tia phun có góc tia khoảng 100o Do kết cấu đường ống nạp 5 có dạng xoắn tiếp tuyến nên trong xy lanh vào thời điểm phun nhiên liệu vẫn

còn dòng xoáy quay tròn của không khí quanh tâm xy lanh Nhiên liệu phun ra sẽ ược cuốn theo và hoà trộn với không khí tạo thành hỗn hợp Do ảnh hưởng của lực

đ-ly tâm nên thành phần hỗn hợp càng xa tâm quay càng sát thành buồng cháy thì càng đậm Bu gi được đặt ở một vị trí nhất định so với tâm xy lanh Khi bu gi bật tia lửa điện, hỗn hợp sát bu gi có thành phần đậm sẽ cháy và làm mồi để đốt phần hỗn hợp còn lại Đối với loại hình thành khí hỗn hợp này, thời điểm phun và thời điểm đánh lửa có quan hệ mật thiết với nhau và được điều khiển bằng thiết bị điện tử (hình 1.6)

Hình 1.6 Động cơ phun xăng trực tiếp

1: Đường thải, 2: Xu-páp thải, 3: Bu-gi, 4: Xu-páp nạp, 5: Vòi phun, 6: Piston

Để điều chỉnh tải trọng của động cơ từ tải nhỏ đến 50% tải người ta chỉ thay đổi lượng nhiên liệu phun vào buồng cháy còn lượng không khí nạp giữ không đổi Phương pháp điều chỉnh này giống như ở động cơ diesel gọi là điều chỉnh chất Từ 50% tải trở lên, lượng không khí nạp cũng được điều chỉnh thông qua một bướm tiết lưu

1.2.2 Dùng nhiên liệu thay thế

Hiện nay, với sự khan hiếm của dầu mỏ, các nước bắt đầu quan tâm mạnh mẽ đến các loại nhiên liệu thay thế xăng truyền thống Tuy nhiên, ở khía cạnh ô nhiễm

do khí xả, các nhiên liệu thay thế còn được đánh giá thân thiện hơn với môi trường

Có được điều này là do:

- Thành phần của chúng có tỉ lệ C/H trong cấu trúc phân tử thấp;

- Không có Ni-tơ, lưu huỳnh, chì;

- Giới hạn bắt lửa rộng, tốc độ lan truyền nhanh

Vì thế, khí thải ít độc hại Mặt khác, hàm lượng phát thải CO2 cũng thấp hơn nếu so với xăng dầu truyền thống, giảm thiểu hiệu ứng nhà kính Các loại nhiên liệu thay thế thường dùng trên động cơ xăng gồm:

*Cồn:

Các loại cồn thường được sử dụng làm nhiên liệu thay thế cho xăng gồm Ethanol (C2H5OH) và Methanol (CH3OH) Pha ethanol vào xăng với tỷ lệ 5% (E5) hoặc 10% (E10) sẽ được xăng có phẩm chất cao không ảnh hưởng tới đặc tính làm việc và tuổi thọ của động cơ mà nồng độ khí thải còn giảm so với động cơ xăng thông thường

*Khí hóa lỏng LPG (Liquefied Petroleum Gas)

Đây là loại nhiên liệu thu được từ hóa lỏng các khí đồng hành của các túi dầu

mỏ Thành phần của LPG chủ yếu là propane C3H8 (chiếm khoảng 60%) và bu-tan

C4H10 (chiếm khoảng 40%) với tỷ lệ có thể khác nhau tùy theo nơi sản xuất Trên một số thử nghiệm động cơ chạy bằng LPG, cho thấy các chất thải độc hại được giảm như sau: HC giảm 30-50%, CO giảm 70-90%, NOx giảm 20-30%

*Khí thiên nhiên hóa lỏng (CNG, LNG)

CNG và LNG có thành phần chính là khí mê-tan (81%-98%), chỉ khác nhau ở công nghệ để tồn trữ Do tỉ lệ C/H có trong nhiên liệu thấp, vì thế khi cháy phát thải

ít CO2, lượng nhiên liệu cháy thừa trong khí xả ra môi trường chủ yếu là CH4, ít độc

hại đến con người, khí thiên nhiên đã được ứng dụng nhiều trong động cơ chạy

nhiên liệu kép như xăng/CNG trên Ta-xi Dầu khí

*Khí sinh học (biogas)

Bi-ô-ga thu được từ quá trình lên men yếm khí của các chất hữu cơ như: xác động, thực vật, rác thải, chất thải chăn nuôi, chất thải sinh hoạt có thành phần chủ yếu là CH4 (60-68%), CO2 (20-32%), còn lại là các chất khí khác như H2S, hơi nước Bi-ô-ga đang được nghiên cứu mạnh mẽ để làm nhiên liệu cho ĐCĐT do phát thải ít CO2 Mặt khác, sử dụng bi-ô-ga còn gián tiếp bảo vệ môi trường từ việc sản xuất bi-ô-ga bằng chất thải hữu cơ trong sinh hoạt, trong chăn nuôi, giảm lượng thải

CH4 vào khí quyển gây hiệu ứng nhà kính Tuy nhiên, cần phải áp dụng nhiều biện

pháp tinh lọc các tạp chất có trong bi-ô-ga trước khi dùng

*Nhiên liệu Hy-đrô

Bên cạnh các loại nhiên liệu thay thế nói trên, hy-đrô từ lâu đã được xem như một loại nhiên liệu mong muốn cho ĐCĐT Khác với các loại nhiên liệu truyền thống, đây là nguồn nhiên liệu có thể tái tạo và có thể được sản xuất từ nguồn nước

vô tận và có khả năng sử dụng cho cả động cơ xăng và động cơ diesel nguyên thủy Hy-đrô khi phản ứng với ô-xy tạo ra sản phẩm sạch, chỉ có nước và không có thành phần ô nhiễm nào (kể cả CO2) nên không gây ô nhiễm môi trường và không gây hiệu ứng nhà kính như khi sử dụng các loại nhiên liệu hóa thạch Thêm nữa, nhiên liệu này có ưu điểm là cháy nhanh, trị số ốc tan cao, chống kích nổ tốt, nên cho phép động cơ có thể làm việc ở tốc độ rất cao, tỷ số nén lớn, nhờ đó mà dễ dàng tăng công suất động cơ Giới hạn thành phần hỗn hợp để đảm bảo khả năng cháy tốt rất rộng nên động cơ có thể làm việc với hỗn hợp rất loãng, =14, Do đó động cơ

có thể chạy hỗn hợp nghèo để giảm NOx và góp phần làm tăng tính kinh tế sử dụng động cơ Mặc dù vậy, nhiên liệu hy-đrô cũng có một số nhược điểm so với nhiên liệu xăng và diesel là nhiệt trị mole rất thấp nên nếu không thay đổi kết cấu động cơ khi chuyển từ động cơ chạy xăng hoặc diesel sang động cơ chạy hoàn toàn bằng hy-đrô thì công suất động cơ sẽ bị giảm nhiều Thêm nữa, việc sản xuất, vận chuyển và tích trữ bảo quản nhiên liệu hy-đrô đủ để thay thế hoàn toàn xăng hoặc diesel khá khó khăn và tốn kém do nhiên liệu có tỷ trọng rất thấp

*Khí giàu hy-đrô

Chính vì một số nhược điểm của nhiên liệu hy-đrô nói trên nên nhiều nhà nghiên cứu quan tâm đến việc sử dụng hy-đrô như một thành phần phụ gia cho nhiên liệu truyền thống Với phương pháp này, hy-đrô chỉ được cấp một tỷ lệ nào

đó vào trong động cơ để hòa trộn với nhiên liệu chính là xăng, diesel, hoặc khí thiên nhiên để tạo ra hỗn hợp nhiên liệu giàu hy-đrô (có hy-đrô ở trạng thái tự do trong hỗn hợp) Nhờ đặc tính cháy nhanh, hy-đrô sẽ giúp đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu chính tốt hơn nên giảm được thành phần độc hại khí thải, mở rộng giới hạn cháy và tăng tính chống kích nổ cho động cơ trong khi không thay đổi kết cấu động cơ so với khi dùng xăng Vấn đề đặt ra là cần có nguồn cung cấp hy-đrô ổn định và tiện

lợi ngay trên xe để động cơ hoạt động liên tục với hỗn hợp nhiên liệu nói trên 1.2.3 Xử lý khí thải

Xử lý khí thải là dùng công nghệ đặc biệt để ô xi hóa các thành phần CO và

HC và khử NOx trong khí thải để giảm các thành phần độc hại này đến mức yêu cầu trước khi thải ra môi trường Có thể sử dụng các biện pháp xử lý khí thải như sau:

- Hỗ trợ phản ứng tiếp trên đường thải: Có thể cấp thêm không khí vào đường thải để phản ứng tiếp CO, HC; hoặc giữ nhiệt đường ống thải để tăng thời gian phản ứng giảm CO, HC và NOx

- Xử lý khí thải bằng bộ xử lý xúc tác: Nhờ những chất trung gian gọi là các chất xúc tác, tốc độ các phản ứng ô xy hoá hoặc khử các thành phần độc hại tăng lên

mà không cần nhiệt độ cao hơn 10000 K Tuỳ theo cấu tạo và cách bố trí mà phân biệt các loại bộ xử lý khác nhau như sau:

+ Bộ xử lý xúc tác hai đường hay bộ xử lý xúc tác ô xi hóa là bộ xử lý để giảm CO và HC Trong trường hợp này NOx được khử ở một bộ xúc tác khác trước khi khí thải đi qua bộ xử lý ô xi hóa

+ Bộ xử lý xúc tác ba đường hay ba chức năng là bộ xử lý có thể đồng thời xử

lý tới 90% cả ba chất độc hại chính là CO, HC và NOx

Hiện nay, xử lý khí thải là phương pháp kiểm soát khí thải hiệu quả nhất trên động cơ đốt trong nên trên các động cơ hiện đại đều trang bị hệ thống này

CHƯƠNG II ĐẶC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG XỬ LÝ KHÍ THẢI SỬ DỤNG

BỘ XÚC TÁC 3 CHỨC NĂNG VÀ PHƯƠNG ÁN CẢI TIẾN

2.1 Đặc điểm phát thải của ô tô có sử dụng bộ xúc tác 3 chức năng

Như đã nói ở trên, để hạn chế sự phát thải của động cơ, người ta đã sử dụng rất nhiều phương pháp về công nghệ động cơ, cũng như lắp đặt trên xe các thiết bị xử lí khí thải riêng biệt

Ngày nay bộ xử lí xúc tác 3 chức năng (còn được gọi là bộ xử lý xúc tác 3 thành phần) được lắp trên động cơ có khả năng giảm phát thải độc hại của động cơ đến mức độ thấp nhất và dễ ràng lắp đặt vì nó gọn nhẹ [2, 3] Khi lắp bộ xúc tác 3 thành phần trên động cơ thì mức độ phát thải CO, HC, NOx có thể giảm đến trên 90% khi bộ xúc tác nóng hoàn toàn Cấu tạo của bộ xử lý xúc tác 3 thành phần được thể hiện ở hình 2.1

Hình 2.1 Bộ xử lý chức năng 1: vỏ, 2: lớp đệm, 3: lõi, 4: lớp vật liệu trung gian, 5: lớp xúc tác

Kết cấu của bộ xúc tác ba đường gồm:

- Vỏ của bộ xử lý, thường được làm bằng thép

- Lớp đệm cách nhiệt: nằm giữa vỏ và lõi, được làm bằng sợi vô cơ hoặc phoi thép để bù trừ giãn nở nhiệt và giữ nhiệt cho lõi

- Lõi thường làm bằng gốm rỗng, chiều dày vách khoảng 0,2 mm và mật độ khoảng 80 lỗ/1cm2 hoặc bằng thép lá cuộn lại để tạo ra các rãnh cho khí thải lưu thông

- Lớp vật liệu trung gian: được phủ trên bề mặt của rãnh nhằm làm tăng độ lồi lõm của bề mặt, do đó làm tăng diện tích tham gia phản ứng

- Lớp xúc tác: Bên trên lớp trung gian là lớp vật liệu xúc tác bằng kim loại hiếm Platin và Paladi với mật độ khoảng 1,5 đến 2g/1dm3 thể tích lõi Platin có tác dụng xúc tác tăng cường quá trình oxy hoá còn Paladi tăng cường quá trình khử Quá trình oxy hóa bao gồm các phản ứng sau [2, 9]:

CO +1/2 O2 = CO2

CmHn + (m+n/4) O2 = mCO2 + n/2 H2O

Quá trình khử bao gồm các phản ứng sau:

NO + CO =1/2 N2 + CO2

Bộ xử lý xúc tác, đã được sử dụng trong hệ thống thải của động cơ trong hơn

ba thập kỷ qua Nó làm giảm đáng kể hàm lượng độc hại trong khí thải của động cơ Các bộ xử lý xúc tác ba tác dụng được sử dụng trên các phương tiện giao thông ngày nay có khả năng giảm tới 90% lượng khí thải độc hại phát ra từ động cơ khi nó được sấy nóng hoàn toàn đạt nhiệt độ >250oC Các chất xúc tác Platin (Pt), Rubidi (Rb) là những vật liệu xúc tác hoạt tính cao cùng với Ceria có khả năng chứa ôxy nên bộ xúc tác có thể ôxy hoá liên tục đối với CO, HC ngay cả khi khí thải có hàm lượng lớn CO, HC và thiếu không khí Sự chuyển đổi của CO, HC đòi hỏi một môi trường ôxy hoá Trong khi đó sự chuyển đổi NOx đòi hỏi một môi trường khử Do vậy, bộ xử lý xúc tác ba tác dụng hoạt động có hiệu quả khi thành phần hỗn hợp gần điều kiện lý tưởng ( 1) để có cả môi trường ôxy hoá và môi trường khử Với hỗn hợp giàu nhiên liệu thì sự ôxy hoá CO, HC giảm Với hỗn hợp nghèo nhiên liệu thì

sự khử NOx giảm

Do đòi hỏi nghiêm ngặt và chính xác về hệ số dư lượng không khí  để bộ xử

lý xúc tác làm việc có hiệu quả nên bộ xử lý này thường được trang bị trên động cơ

có hệ thống điều khiển điện tử (ECU) Sơ đồ lắp bộ xử lý khí thải ba đường trên ôtô (hình 1.9)

Hình 2.2 Vị trí lắp bộ xúc tác trên xe

Bộ xử lý này làm giảm đáng kể lượng khí thải độc hại Tuy nhiên, vấn đề tồn tại của bộ xử lý xúc tác là nó làm việc không hiệu quả ở chế độ khởi động lạnh và chạy ấm máy khí mà nhiệt độ và lưu lượng khí thải thấp làm cho nhiệt độ bộ xúc tác thấp hơn 250  300oC [11] Do vậy, trong giai đoạn khởi động lạnh và chạy ấm máy, khí thải độc hại hầu như không được xử lý làm cho hàm lượng khí thải độc hại thải ra ngoài cao, gây ô nhiễm môi trường

Các nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng: khoảng 6070% tổng lượng khí thải CO

và HC của động cơ có trang bị bộ xử lý xúc tác được thải ra trong vài phút đầu sau khi khởi động (theo chu trình thử nghiệm FTP 75) [4] Khi nhiệt độ bộ xử lý đạt trên 300oC thì hiệu quả trung hòa các thành phần độc hại tăng mạnh và có thể đạt tới 90% Tuy nhiên, nhiều phương tiện đi trong thành phố với quãng đường quá ngắn nên động cơ và bộ xử lý chưa thể ấm hoàn toàn Do đó, việc nghiên cứu tăng

Bộ xử lý khí thải

hiệu quả bộ xúc tác trong thời gian chạy ấm máy để giảm nồng độ độc hại trong khí thải của các phương tiện trong giai đoạn này sẽ là cơ sở để giảm tổng lượng độc hại chung của khí thải ra môi trường

2.2 Các phương pháp tăng hiệu quả bộ xúc tác trong giai đoạn khởi động lạnh

và chạy ấm máy

Bộ xử lý 3 thành phần chỉ làm việc hiệu quả khi nhiệt độ bộ xúc tác đạt trên

3000C Trong quá trình chạy ấm máy thông thường từ lúc khởi động lạnh thì phải cần thời gian khá lâu để sấy nóng bộ xúc tác đến 3000C và trong thời gian đó bộ xúc tác chưa làm việc Do đó, việc sấy nóng nhanh bộ xúc tác sau khi khởi động lạnh sẽ giảm được lượng khí thải độc hại chưa qua xử lý vào môi trường Để sấy nóng nhanh bộ xúc tác, có thể sử dụng một số biện pháp công nghệ sau đây

2.2.1 Tối ưu hóa kết cấu bộ xúc tác

Nghiên cứu sử dụng vật liệu có nhiệt dung riêng nhỏ làm lõi bộ xúc tác hoặc giảm khối lượng bộ xúc tác trong khi diện tích bề mặt xúc tác không đổi sẽ giảm được lượng nhiệt bộ xúc tác cần hấp thụ để đạt đến nhiệt độ làm việc hiệu quả, do

đó sẽ rút ngắn được thời gian cần để sấy nóng bộ xúc tác [1, 5] Việc giảm khối lượng bộ xúc tác được thực hiện bằng cách giảm chiều dày  của các vách lỗ của lõi bộ xúc tác Để giảm chiều dày thành lỗ lõi bộ xúc tác thì phải chọn vật liệu có độ bền cao và công nghệ chế tạo đặc biệt nên dẫn đến tăng chi phí cho vật liệu và công

nghệ đồng thời ảnh hưởng đến độ ổn định cũng như tuổi thọ của bộ xúc tác

2.2.2 Sấy nóng nhanh bộ xúc tác bằng nguồn năng lượng bên ngoài

Sấy nóng bằng điện: Dùng dây điện trở nối điện acquy để sấy nóng trực tiếp

bộ xúc tác trong quá trình khởi động lạnh và chạy ấm máy giúp bộ xúc tác nóng nhanh [6] Tuy nhiên, phương pháp này yêu cầu về thiết bị cồng kềnh và nguồn điện acquy lớn, chi phí cao

Sấy nóng bằng cách đốt nhiên liệu trên đường thải [7]: Đốt nhiên liệu trên

đường thải là cách ta cấp nhiên liệu và không khí vào đường thải để đốt Nhiên liệu

được cháy ở đây không sinh công mà chỉ sinh nhiệt Lượng nhiệt này được đưa thẳng vào bộ xúc tác và gia nhiệt cho bộ xúc tác Tuy nhiên thiết bị lắp đặt cồng kềnh và quá trình điều khiển phức tạp

Sấy nóng bằng cách đốt nhiên liệu trước và bên trong bộ xúc tác [8]: Phương pháp này tương tự như phương pháp đốt nhiên liệu trên đường thải Nhưng ở phương pháp này, nhiên liệu được đốt ở ngay trước và bên trong bộ xúc tác làm bộ xúc tác được gia nhiệt tức thời Nhược điểm giống như 2 phương pháp trên

Sấy nóng bằng thiết bị điện từ: Các thiết bị điện từ có khả năng sấy nóng bộ

xúc tác, nhưng yêu cầu về thiết bị của hệ thống này rất phức tạp và khó điều khiển

Các phương pháp trên đều dẫn đến tốn nhiên liệu, giảm tuổi thọ bộ xúc tác, có thể gây bám muội nhiều trên thành ống thải và trong bộ xúc tác, dẫn đến tắc bộ xúc tác, làm cho bộ xúc tác làm việc không ổn định Với phương pháp điện từ thì khó thực hiện và khó điều khiển

2.2.3 Sấy nóng nhanh bộ xúc tác bằng khí thải

a) Đặt bộ xúc tác liền với cụm ống thải của động cơ

Cách làm này sẽ giúp cho khí thải sau khi ra khởi cửa thải không bị mất nhiệt trước khi tới bộ xúc tác nên có năng lượng và nhiệt độ lớn sẽ làm bộ xúc tác nóng nhanh hơn và nhanh đạt tới nhiệt độ làm việc hiệu quả Tuy nhiên ở chế độ tải lớn

do nhiệt độ và lưu lượng của khí thải quá cao sẽ làm cho bộ xúc tác nhanh hỏng do quá nóng

b) Điều chỉnh mở sớm xupap thải

Điều chỉnh mở sớm xupap thải sẽ dẫn đến khí thải được thải ra đường thải sớm hơn, khí thải có năng lượng và nhiệt độ cao hơn sẽ sấy nóng bộ xúc tác nhanh hơn [2]

c) Điều chỉnh đánh lửa muộn

Điều chỉnh đánh lửa muộn [2, 9, 11], giúp cho quá trình cháy được diễn ra

muộn hơn Quá trình cháy lùi về sau ĐCT hơn làm cho năng lượng nhiệt lớn dẫn đến nhiệt độ khí thải tăng lên Nhiệt độ khí thải cao hơn giúp cho sấy nóng nhanh

bộ xúc tác, giúp bộ xúc tác nhanh đạt đến nhiệt độ làm việc

d) Lắp 2 BXT

Phương pháp lắp 2 BXT là lắp 1 BXT nhỏ ngay tại ống góp và 1 BXT lớn xa

cổ góp ống thải BXT nhỏ tại cổ góp ống thải sẽ được sấy nóng nhanh trong quá trình khởi động lạnh và chạy ấm máy để giảm phát thải trong giai đoạn này, còn BXT lớn lắp xa cổ góp ống thải thì xúc tác khí thải như bình thường trong giai đoạn

có tải

Nhận xét: Các phương pháp trên đều có thể sử dụng nhưng mỗi phương pháp

đều có những ưu điểm và những hạn chế riêng

- Phương pháp tối ưu hóa kết cấu đã được thực hiện và hiện nay công nghệ động cơ đã đạt tới đỉnh cao nên khó có thể cải tiến thêm để có thể giảm phát thải đạt đến yêu cầu của các tiêu chuẩn khí thải ngày càng ngặt nghèo

- Phương pháp sử dụng nhiên liệu thay thế có hàm lượng phát thải thấp như nhiên liệu sinh học hoặc nhiên liệu thay thế không các bon như nhiên liệu hydro thì phức tạp, đặt đỏ và khó thực hiện sâu rộng vì còn liên quan đến nhiều vấn đề chính sách;

- Tối ưu hóa kết cấu BXT bằng cách phát triển vật liệu mới có khả năng hạ thấp nhiệt độ làm việc thì sẽ đạt hiệu quả xúc tác cao ở chế độ khởi động lạnh Tuy nhiên, công nghệ vật liệu này khá đắt đỏ, tốn kém Do đó, nếu có thể cải tiến BXT để tăng hiệu quả xử lý khí thải trong giai đoạn khởi động lạnh và chạy ấm máy trong khi vẫn sử dụng vật liệu xúc tác thông thường thì

sẽ có ý nghĩa thực tiến rất cao

Nói tóm lại, trong các phương pháp phân tích ở trên, có phương pháp khó vì kết cấu, điều khiển, ứng dụng; có phương pháp không hiệu quả về kinh tế Tuy nhiên, có thể thấy, phương pháp tối ưu hóa kết cấu BXT chỉ tác động đến BXT nên

việc lắp đặt trên động cơ sẽ gọn nhẹ dễ dàng, không ảnh hưởng đến bố trí chung của động cơ và do đó dễ thực hiện đối với người sử dụng Do vậy, đề tài này sẽ đi theo hướng nghiên cứu cải tiến bộ xúc tác 3 chức năng trong khi vẫn sử dụng vật liệu xúc tác thông thường

2.3 Phương án thiết kế cải tiến BXT 3 chức năng và phương pháp tính toán 2.3.1 Phương án thiết kế cải tiến

Luận văn này trình bày một phương pháp cải tiến BXT có kết cấu truyền thống 1 lõi (hình 2.3) sang loại sử dụng 2 lõi đặt kế tiếp nhau có đường kính như nhau nhưng chiều dài khác nhau (hình 2.4) Lõi phía trước ngắn hơn và lõi phía sau dài hơn Ở chế độ làm việc ổn định khi cả 2 lõi đều đạt đến nhiệt độ làm việc hiệu quả thì chúng cùng thực hiện xúc tác trung hoà khí thải để đạt hiệu quả trung hoà chung đến 90%-95% như các BXT 3 chức năng bình thường khác Còn ở chế độ khởi động lạnh và chạy ấm máy, thay vì phải sấy nóng BXT có khối lượng lớn như

ở BXT 1 lõi truyền thống, với BXT 2 lõi, lõi nhỏ đặt phía trước có khối lượng nhỏ nên được sấy nóng nhanh đến nhiệt độ làm việc và thực hiện trung hoà các thành phần độc hại trong khí thải trong giai đoạn này và đống thời cung cấp thêm nhiệt (nhiệt giải phóng do phản ứng xúc tác ô xy hóa CO và HC) và làm tăng nhiệt độ khí thải giúp sấy nóng dần lõi phía sau của BXT Như vậy, trong giai đoạn khởi động lạnh và chạy ấm máy, thời gian kích hoạt BXT 2 lõi sẽ ngắn hơn nhiều so với thời gian kích hoạt BXT 1 lõi và do đó hiệu quả trung hoà khí thải sẽ cao hơn

Hình 2.3 Sơ đồ bộ xúc tác xử lý khí thải 3 chức năng truyền thống

1 vỏ; 2 lõi; 3 lớp đệm; 4 lớp vật liệu trung gian; 5 lớp xúc tác

2.3.2 Phương pháp và quy trình tính toán

Việc tính toán kích thước tối ưu của các lõi BXT để đảm bảo hiệu quả trung hòa khí thải cao ở mọi chế độ làm việc của động cơ được thực hiện bằng phương pháp mô hình hóa giải các bài toán trao đổi nhiệt, trao đổi chất và phản ứng hóa học trong BXT và áp dụng tính toán thiết kế BXT cho xe Ford laser 1.8 Quy trình tính toán được thực hiện như sau:

- Trước tiên, chọn sơ bộ thể tích tổng hai lõi của bộ xúc tác trên cơ sở kinh nghiệm đảm bảo tốc độ không gian ở chế độ toàn tải không quá 250.000/h (tỷ số giữa lưu lượng thể tích khí thải qua BXT và thể tích của BXT)

- Tiếp theo, chọn tiết diện BXT dựa theo tiết diện BXT 1 lõi nguyên thủy của

xe hoặc tham khảo tiết diện của các BXT của các xe cùng phân khúc dung tích xi lanh, và tính ra chiều dài BXT bằng tỷ số giữa thể tích và tiết diện;

- Phân thể tích BXT vừa chọn thành 2 phần, chọn sơ bộ thể tích phần lõi nhỏ trên cơ sở tốc độ không gian trong giai đoạn chạy ấm máy không quá 50.000/h

- Xây dựng mô hình toán, tính toán hiệu quả của BXT trong giai đoạn chạy ấm máy và trong giai đoạn toán tải với chiều dài lõi nhỏ và tổng hai lõi thay đổi Sau đó chọn chiều dài các lõi sao cho hiệu quả xúc tác đạt trên 90% và sức cản của BXT không lớn hơn sức cản của BXT nguyên thủy (tổng chiều dài 2 lõi không lớn hơn chiều dài BXT nguyên thủy quá 5%)

Hình 2.4 Sơ đồ bộ xúc tác xử lý khí thải 3 chức năng cải tiến 2 lõi, đường kính

120mm; tổng chiều dài 2 lõi L=180 mm;

1 Lõi phía trước dài 0,35L

2 Khoảng cách 2 lõi

3 Lõi phía sau dài 0,65L